渝東南常壓頁巖氣工程工藝技術(shù)進(jìn)展及下一步攻關(guān)方向

姚紅生,房啟龍,袁明進(jìn),張 壯

中國石化 華東油氣分公司,南京 210019

1 頁巖氣工程工藝概況

渝東南常壓頁巖氣區(qū)塊(南川—武隆—彭水地區(qū))處于盆緣過渡帶—盆外褶皺區(qū),處于深水陸棚相上斜坡,埋深2 000～4 500 m、優(yōu)質(zhì)頁巖厚度24～35 m、有機(jī)碳(TOC)含量3.0%～3.3%,具有構(gòu)造復(fù)雜、地層壓力系數(shù)低、吸附氣占比高、孔隙度小、微裂縫發(fā)育等地質(zhì)特點(diǎn),給工程工藝提效增產(chǎn)帶來巨大挑戰(zhàn)[1-3]。鉆井方面,由于區(qū)塊淺表層縫洞發(fā)育、漏失層位多,導(dǎo)致鉆完井周期長(zhǎng)等問題。通過近十年的探索實(shí)踐,鉆井工程從學(xué)習(xí)借鑒到自主創(chuàng)新,逐步形成淺表層工勘、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)化參數(shù)、超長(zhǎng)水平井、組合式工廠化鉆井等關(guān)鍵技術(shù)[4-12]。壓裂方面,由于儲(chǔ)層構(gòu)造應(yīng)力變化快、差異系數(shù)大,壓裂難以形成復(fù)雜縫網(wǎng),導(dǎo)致自然產(chǎn)能較低、成本也較高。壓裂工程工藝歷經(jīng)引進(jìn)探索、優(yōu)化提升、集成創(chuàng)新3個(gè)階段,通過調(diào)研學(xué)習(xí)國內(nèi)外頁巖氣壓裂改造工藝技術(shù)[13-20]的特點(diǎn),結(jié)合探區(qū)儲(chǔ)層特征與改造實(shí)踐,堅(jiān)持地質(zhì)工程一體化,加強(qiáng)新技術(shù)新工具集成應(yīng)用與配套,形成了“復(fù)雜縫網(wǎng)+經(jīng)濟(jì)型材料+智能壓裂裝備”的特色壓裂工藝及配套。排采方面,由于地層能量弱,井筒氣液兩相流動(dòng)、流態(tài)變化復(fù)雜,導(dǎo)致氣井排液效率低,低壓低產(chǎn)期長(zhǎng),生產(chǎn)特征差異大。通過多年的探索攻關(guān)實(shí)踐,細(xì)分氣井全生命周期生產(chǎn)階段,建立以泡排工藝、壓縮機(jī)降壓開采為主體,氣舉工藝為輔助,機(jī)抽、單管射流泵為補(bǔ)充的全生命周期排水采氣技術(shù)體系[21-22]。通過持續(xù)開展工程工藝的創(chuàng)新實(shí)踐,促進(jìn)了渝東南地區(qū)常壓頁巖氣的效益開發(fā)。

2 鉆井提速提效技術(shù)進(jìn)展

鉆井工程圍繞“提速、提效、降本”三大主線,開展以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)化參數(shù)鉆井為主,設(shè)備、工具一體化配套的技術(shù)攻關(guān),形成了常壓頁巖氣鉆完井技術(shù),機(jī)械鉆速年均提高14.90%,鉆完井周期年均降幅10.67%,鉆井成本年均降幅7.64%,刷新同期多項(xiàng)紀(jì)錄。基本實(shí)現(xiàn)“打成井、打快井、打好井”的技術(shù)目標(biāo),為鉆井提速提效不斷夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)南川工區(qū)已鉆井地質(zhì)工程資料分析認(rèn)為,鉆井工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)主控因素依次為漏失>淺層氣>地層壓力。其中,淺表層失返性漏失屬共性問題,東勝背斜最復(fù)雜,存在漏垮同存現(xiàn)象;二疊系淺層氣平橋背斜和平橋南斜坡較活躍;志留系漏失在各區(qū)均存在,平橋南斜坡最頻繁。

結(jié)合各區(qū)域的鉆井地質(zhì)特點(diǎn)和工程風(fēng)險(xiǎn),確定了南川地區(qū)地質(zhì)上存在2個(gè)地層必封點(diǎn):第1個(gè)必封點(diǎn)為淺表層的裂縫和溶洞發(fā)育層,主要為雷口坡組、嘉陵江組上部地層,采用導(dǎo)管或表層套管進(jìn)行封隔;第2個(gè)必封點(diǎn)為二疊系的含氣層,主要為飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M、茅口組等地層。井身結(jié)構(gòu)按照“一區(qū)一策、一井一案”的技術(shù)思路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。武隆區(qū)塊隆頁5-1HF井在前期鉆井地質(zhì)工程資料分析的基礎(chǔ)上,認(rèn)為該區(qū)域二疊系不含氣層,在井身結(jié)構(gòu)上首次采用二開制井身結(jié)構(gòu):一開表層套管封固嘉陵江組漏失層;二開針對(duì)長(zhǎng)裸眼井段帶來的漏失難題,采用親油水泥漿堵漏,提高鉆井液封堵性能,降低水平段鉆井液密度,順利實(shí)現(xiàn)固完井。隆頁5-1HF井鉆井周期從該區(qū)塊平均38 d降至23.98 d,機(jī)械鉆速由平均12.85 m/h提至17.55m/h,并在陽春溝、道真等區(qū)塊成功推廣應(yīng)用。

2.2 超長(zhǎng)水平井一體化配套技術(shù)

深入貫徹中國石化集團(tuán)公司超長(zhǎng)水平段“3 000 m提效—4 000 m配套—5 000 m攻關(guān)”三步走的戰(zhàn)略精神,積極落實(shí)、主動(dòng)謀劃。通過集成攻關(guān),形成了超長(zhǎng)水平井鉆完井一體化配套技術(shù),在東勝南斜坡成功實(shí)施了3口超長(zhǎng)水平井,有效提高單井儲(chǔ)量動(dòng)用率。

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超長(zhǎng)水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以保障水平段有效延伸、降摩減阻為目標(biāo),在對(duì)地層特性分析的基礎(chǔ)上,綜合考慮長(zhǎng)水平段摩阻、大尺寸井段提速和不穩(wěn)定地層的封隔等因素,采用封隔龍馬溪組及以上地層30°以內(nèi)井斜段的下入方案。DP9平臺(tái)SY9-2HF井(圖1)、SY9-6HF井以及SY9-3HF井分別為技術(shù)套管下深2 380、2 530、2 460 m,井斜32.32°、60.69°、26.56°,完鉆井深6 455、6 780、6 945 m,水平段長(zhǎng)3 583、3 601、4 035 m,均實(shí)現(xiàn)順利完井(表1)。

表1 渝東南南川地區(qū)超長(zhǎng)水平井鉆井技術(shù)指標(biāo)

圖1 渝東南南川地區(qū)SY9-2HF井身結(jié)構(gòu)方案

2.2.2 軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于南川地區(qū)不同層段復(fù)合鉆進(jìn)過程井斜、方位的變化規(guī)律,利用工區(qū)內(nèi)實(shí)鉆資料確定該地區(qū)不同地層的自然造斜規(guī)律與定向造斜能力。在軌道設(shè)計(jì)上,復(fù)合鉆進(jìn)與定向鉆進(jìn)交替搭配設(shè)計(jì),形成基于多段圓弧的自適應(yīng)性軌道設(shè)計(jì)方法——三維矢量軌道設(shè)計(jì)方法。

以SY9-2HF井為例,對(duì)空間五段制、雙二維、基于多段圓弧的自適應(yīng)軌道設(shè)計(jì)方法進(jìn)行摩阻和扭矩的模擬分析。分析條件:復(fù)合鉆進(jìn)鉆壓120 kN,鉆頭扭矩10 000 N·m;滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓50 kN,鉆頭扭矩5 000 N·m;鉆井液密度1.55 g/cm3,塑性黏度34 mPa·s,動(dòng)切力7.5 Pa;全角變化率4.5°/30 m。模擬分析結(jié)果(圖2):不同工況下,五段制摩阻與扭矩最小,自適應(yīng)次之,雙二維最大,五段制與自適應(yīng)差距較小。自適應(yīng)軌道設(shè)計(jì)方法依托地層自然造斜規(guī)律,在有效控制摩阻與扭矩的同時(shí),能夠有效提高全井段復(fù)合鉆進(jìn)占比,提高鉆井效率,超長(zhǎng)水平井在軌道設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)選使用自適應(yīng)軌道設(shè)計(jì)方法。

圖2 渝東南南川地區(qū)SY9-2HF井不同軌道設(shè)計(jì)方法鉆進(jìn)效果分析

2.2.3 鉆具組合優(yōu)化

隨著水平段的不斷延伸增長(zhǎng),極限延伸能力預(yù)測(cè)涉及影響因素多,決定因素就是鉆桿是否發(fā)生屈曲。如果發(fā)生屈曲,鉆壓無法正常到達(dá)鉆頭,嚴(yán)重的導(dǎo)致鉆具自鎖,最終導(dǎo)致無法鉆進(jìn)。因此,通過鉆柱力學(xué)分析,施工中鉆具不會(huì)發(fā)生屈曲的最大井深,就是該水平井在摩阻力學(xué)方面的最大極限[23]。

以提高鉆具的延伸性、鉆壓傳遞的有效性和降低循環(huán)壓耗為目標(biāo),形成以“Φ215.9 mm PDC鉆頭+Φ172 mm1.25°單彎螺桿(扶正器尺寸Φ208-210 mm)+Φ210 mm扶正器+浮閥+LWD+Φ127 mm加重鉆桿+Φ127 mm鉆桿+水力震蕩器+Φ127 mm鉆桿+Φ127 mm加重鉆桿+Φ139.7 mm鉆桿”為核心的倒裝鉆具組合。其中,采用雙扶正器鉆具組合在復(fù)合鉆進(jìn)的情況下為微增狀態(tài),定向鉆進(jìn)造斜能力達(dá)到5°/30 m,滿足水平段軌跡控制需求;水力振蕩器安裝在距鉆頭約140 m處,減小鉆具和井壁的摩擦力,確保滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓的有效傳遞,同時(shí)降低對(duì)儀器的影響;加重鉆桿放置在35°井斜以內(nèi),確保載荷的有效提供;使用Φ139.7 mm鉆桿,降低循環(huán)壓耗,部分情況下可代替加重鉆桿提供載荷。

2.2.4 固完井方案優(yōu)化

針對(duì)長(zhǎng)水平段套管下入難題,完鉆后采用雙扶+清砂鉆桿通井,保證井眼清潔,完井管柱采用旋轉(zhuǎn)浮鞋以應(yīng)對(duì)井下臺(tái)階、巖屑床等復(fù)雜情況,水平段滾珠扶正器和整體彈性扶正器交替安防以減小下套管過程摩阻,采用漂浮下套管技術(shù),配合使用頂驅(qū)增加套管下入載荷。

針對(duì)井底漏失、井壁油膜清洗、氣測(cè)顯示好的特點(diǎn),采用“泡沫+低返+預(yù)應(yīng)力”的固井技術(shù)。靜態(tài)承壓附加0.05 g/cm3安全當(dāng)量密度;動(dòng)態(tài)驗(yàn)漏采用1.8 m3/min大排量循環(huán)兩周以上;前置液用量由38 m3提至48 m3,提升對(duì)油膜的清洗效率;領(lǐng)、尾漿界面優(yōu)化至2 500 m,領(lǐng)漿返至1 000 m;環(huán)空逐步憋壓至4 MPa,尾漿初凝后逐步加壓至15 MPa。DP9平臺(tái)3口長(zhǎng)水平段水平井固井質(zhì)量均滿足壓裂要求。

2.3 強(qiáng)化參數(shù)鉆井

南川地區(qū)地層抗鉆特性屬于中軟—中—硬地層,可鉆性分布在4.68～6.93,整體在7以內(nèi),其中二疊系龍?zhí)督M、茅口組和志留系龍馬溪組一段①小層可鉆性偏高,基本處于6.41～6.95。強(qiáng)化參數(shù)技術(shù)主要通過設(shè)備、工具、鉆頭等一體化配套,極限發(fā)揮破巖效率,提高機(jī)械鉆速[24]。

在設(shè)備配套方面,結(jié)合載荷和參數(shù)強(qiáng)化要求,升級(jí)配套350 T/450 T頂驅(qū)、52 MPa/1 600 HP高壓泥漿泵、高性能固控系統(tǒng)、大尺寸鉆具和動(dòng)力系統(tǒng)。

鉆頭方面,結(jié)合地層可鉆性分析,采用“鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)類比法”優(yōu)選“PDC+混合鉆頭”的鉆頭序列?；旌香@頭提升牙輪、牙掌軸承表面粗糙度,延長(zhǎng)強(qiáng)化參數(shù)作業(yè)時(shí)的軸承壽命;PDC鉆頭采用球面保徑齒,增加鉆頭保徑能力,提高強(qiáng)化參數(shù)定向時(shí)對(duì)掌尖的保護(hù);復(fù)合片采用防沖蝕結(jié)構(gòu),適應(yīng)大排量工況;布齒采用雙排異軌布齒,提升鉆頭的抗研磨性;前排切削齒采用16 mm復(fù)合片,其中錐頂—外錐段采用斧型非平面齒,綜合剪切、犁削等破巖方式,提升破巖效率,后排切削齒采用錐形齒,提升鉆頭工作的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命;保徑和接頭采用短斜保徑和短接頭結(jié)構(gòu),縮短鉆頭整體高度,提升定向效率。

螺桿方面,重點(diǎn)圍繞扭矩特性和與超長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)時(shí)間相匹配的壽命特性,優(yōu)選采用國產(chǎn)等應(yīng)力大扭矩螺桿,輸出扭矩值達(dá)到進(jìn)口螺桿水平。Φ244 mm和Φ172 mm規(guī)格螺桿設(shè)計(jì)壽命分別達(dá)400 h、300 h以上,對(duì)比常規(guī)等壁厚螺桿分別提高56.3%、132.2%。

參數(shù)在破巖比能參數(shù)模型的基礎(chǔ)上,形成參數(shù)優(yōu)化方案(表2);通過提高能量輸出,提升破巖效率,鉆壓提升70%,排量提升27%。

表2 鉆井參數(shù)優(yōu)化方案表

3 壓裂提產(chǎn)增效工藝技術(shù)進(jìn)展

壓裂工程持續(xù)開展以“增效降本”為核心的技術(shù)攻關(guān),深入開展地質(zhì)工程一體化攻關(guān)實(shí)踐,逐漸形成以“適度密切割+暫堵轉(zhuǎn)向”為主的壓裂促縫工藝,通過“高強(qiáng)度加砂+變粒徑砂陶組合”實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)多尺度有效支撐,集成應(yīng)用低成本壓裂材料與提速降本設(shè)備工具,單井歸一千米EUR由0.34億立方米提升至0.45億立方米,費(fèi)用下降34.6%,為常壓頁巖氣的效益開發(fā)保駕護(hù)航。

3.1 常壓頁巖氣促縫工藝

3.1.1 適度密切割

選取合適的簇間距對(duì)擴(kuò)大儲(chǔ)層縫網(wǎng)展布區(qū)域,提高壓后效果具有重要意義。簇間距過小將導(dǎo)致多簇裂縫之間的重疊,形成應(yīng)力陰影,降低改造效率;簇間距過大將導(dǎo)致裂縫之間留有非改造區(qū),影響儲(chǔ)層的動(dòng)用程度[25-26]?；趦?chǔ)層兩向應(yīng)力差異較大的特點(diǎn),綜合考慮天然裂縫發(fā)育與井間資源分布情況,優(yōu)化段簇間距及射孔位置,采用適度密切割工藝,促進(jìn)縫間應(yīng)力干擾,形成復(fù)雜縫網(wǎng)?；诙嗳斯ち芽p條件下應(yīng)力場(chǎng)變化模擬結(jié)果(圖3),優(yōu)化單段射孔簇?cái)?shù)由2～4簇提高至4～8簇,簇間距由23 m下降至9～12 m,能夠顯著提升儲(chǔ)層有效改造體積。

圖3 多人工裂縫條件下應(yīng)力場(chǎng)變化

3.1.2 限流射孔

常壓頁巖氣儲(chǔ)層構(gòu)造復(fù)雜,水平井平面非均質(zhì)性較強(qiáng),段內(nèi)多簇裂縫起裂延伸不均,部分射孔孔眼未能開啟?；诹鞴恬詈戏匠?建立了考慮巖石—水泥環(huán)—套管的水平井分簇壓裂起裂有限元模型,通過數(shù)值模擬研究分析(圖4),采用限流射孔技術(shù),可以有效改善孔眼進(jìn)液不均的現(xiàn)象[27]。結(jié)合變密度射孔,進(jìn)一步降低裂縫非均衡起裂程度。單段射孔30～32孔,趾端到跟端差異布孔。

圖4 不同射孔模式下的多簇裂縫擴(kuò)展形態(tài)

3.1.3 高強(qiáng)度高砂比連續(xù)鋪砂

Meyer壓裂軟件模擬計(jì)算結(jié)果顯示(圖5),高砂液比有利于提升裂縫導(dǎo)流能力。當(dāng)綜合砂液比大于4%時(shí),導(dǎo)流能力達(dá)1.3μm2·cm,滿足頁巖氣導(dǎo)流能力1.0 μm2·cm的需求;當(dāng)綜合砂液比達(dá)到7%時(shí),導(dǎo)流能力提升至2.3 μm·cm。

圖5 不同砂液比下的裂縫導(dǎo)流能力

結(jié)合儲(chǔ)層閉合應(yīng)力,綜合考慮開發(fā)井距與有效縫長(zhǎng)的關(guān)系,通過控液提砂增加縫內(nèi)支撐劑的鋪置濃度,形成高導(dǎo)流通道?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,采用“高砂比+變砂型+強(qiáng)加砂”的連續(xù)鋪砂模式,砂液比提升至10%以上,加砂強(qiáng)度提升至2.5 m3/m,單井產(chǎn)能提升40%。

3.1.4 暫堵轉(zhuǎn)向

常壓頁巖水平兩向應(yīng)力差異系數(shù)0.1～0.4,部分區(qū)域存在形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度大的問題。通過室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐探索,建立了耦合井筒流場(chǎng)及暫堵球運(yùn)動(dòng)的有限元模擬方法,優(yōu)化投球暫堵工藝;結(jié)合室內(nèi)評(píng)選出高性能縫內(nèi)暫堵劑,逐步形成“縫內(nèi)+簇間”復(fù)合暫堵工藝。統(tǒng)計(jì)JY207-1HF井復(fù)合暫堵段與常規(guī)壓裂段的微地震裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示(圖6),采用復(fù)合暫堵工藝段較常規(guī)壓裂段改造面積提升42.4%。

圖6 不同壓裂模式下的改造面積

3.2 支撐劑與壓裂液優(yōu)化技術(shù)

3.2.1 支撐劑組合優(yōu)選

常壓頁巖氣儲(chǔ)層埋深2000～4500m,井口實(shí)測(cè)停泵壓力30～60 MPa。根據(jù)室內(nèi)物模研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證,制定了滿足極限經(jīng)濟(jì)導(dǎo)流能力的支撐劑選擇圖版[28](圖7),相較陶粒成本壓減68%。

圖7 渝東南常壓頁巖氣支撐劑選擇圖版

根據(jù)儲(chǔ)層閉合應(yīng)力,考慮天然裂縫發(fā)育情況,采用不同類型粒徑的支撐劑組合。通過大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果顯示(圖8),“以砂代陶”工藝對(duì)壓后單井產(chǎn)能的影響不大。

圖8 不同井底停泵壓力下不同組合測(cè)試產(chǎn)量

3.2.2 壓裂液體系優(yōu)化

針對(duì)頁巖常壓區(qū)地層壓力低、黏土礦物成巖作用較強(qiáng)的特點(diǎn),優(yōu)化助劑種類與濃度,逐步形成“減阻劑+殺菌劑”的簡(jiǎn)易配方;針對(duì)不同埋深,并考慮地層破裂壓力、裂縫發(fā)育特征建立減阻水使用模板(表3),實(shí)現(xiàn)減量不減效,單方液體成本降至12元。

表3 不同埋深不同配方減阻水減阻效果

3.3 配套設(shè)備提速降本

3.3.1 全電動(dòng)智能壓裂裝備及配套

率先應(yīng)用全電動(dòng)壓裂裝備,通過設(shè)備的不斷迭代升級(jí),覆蓋壓裂、供水、配液、供液、混砂、泵注全工序,實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)不間斷作業(yè),引領(lǐng)了國內(nèi)壓裂裝備從柴油機(jī)組到電動(dòng)設(shè)備的智能化升級(jí)(表4)[29]。目前單井單機(jī)組壓裂時(shí)效可提升至3.6 段/d以上,施工費(fèi)用相較柴油機(jī)組壓減約53%;配套直連管匯,提升高壓施工的安全性,配備雙混砂、雙砂塔保障大排量高砂比連續(xù)施工的穩(wěn)定性,最高排量22 m3/min、最高砂比24%;基于5G網(wǎng)絡(luò)建立壓裂遠(yuǎn)程指揮系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮診斷,開展600余段應(yīng)用;試驗(yàn)全自動(dòng)泵注,成功應(yīng)用40余段,人工干預(yù)率低至10%。

表4 壓裂設(shè)備升級(jí)歷程

3.3.2 提速提效壓裂工具實(shí)踐

頁巖氣水平井首段采用連續(xù)油管或爬行器射孔存在作業(yè)費(fèi)用高、施工周期長(zhǎng)等問題,引入趾端滑套免除通探洗等環(huán)節(jié),提高作業(yè)效率,降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和成本。針對(duì)“橋塞分段+多簇射孔”壓裂存在射孔簇起裂不均衡的問題,開展全通徑無限級(jí)滑套分段壓裂實(shí)踐[30],促進(jìn)頁巖儲(chǔ)層精細(xì)改造。SY2-11HF井應(yīng)用39級(jí)全井段無限級(jí)滑套工具,實(shí)現(xiàn)了單井單機(jī)組24小時(shí)壓裂12段的中石化頁巖氣壓裂時(shí)效紀(jì)錄;與鄰井相比,復(fù)雜縫網(wǎng)占比從56%提升至73%,產(chǎn)能提升15%。同時(shí),積極開展國產(chǎn)化滑套的替代試驗(yàn),推動(dòng)工具成本下降38.9%。

4 排水采氣工藝技術(shù)進(jìn)展

排采工程以“全生命周期精細(xì)管理、延緩遞減、挖潛增效”為目標(biāo),攻關(guān)集成全生命周期排水采氣技術(shù)體系:早期自噴階段以降低全生命周期采氣管理難度和排水成本為目標(biāo),形成優(yōu)選管柱排采技術(shù);中期助噴階段以改善氣井排液效果為目標(biāo),形成以泡排、壓縮機(jī)降壓開采為主體,氣舉為輔助的差異化排采技術(shù)體系;后期低壓低產(chǎn)階段以充分釋放氣井生產(chǎn)潛力為目標(biāo),完善形成單管射流泵、強(qiáng)力泵+尾管等多種機(jī)械舉升工藝技術(shù)。2022年累計(jì)實(shí)施302井次,有效率91%,措施增產(chǎn)氣量達(dá)7 000×104m3,老井年遞減率降低2.1%,全氣田生產(chǎn)時(shí)率從95.9%提升至98.7%。氣井全生命周期排采水平不斷提升,有力支撐了氣田的穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)。

4.1 泡沫排水采氣技術(shù)

泡沫排水采氣技術(shù)是常壓頁巖氣井主要采用的排采技術(shù),施工容易,見效快,成本低且又不影響氣井生產(chǎn),適用于弱噴或間噴產(chǎn)水的氣井。針對(duì)區(qū)塊內(nèi)氣井產(chǎn)出液鈣鎂離子含量高、地層溫度高等特點(diǎn),自主研發(fā)了低成本高效泡排劑和抗溫抗鹽泡排劑,抗溫性能達(dá)140 ℃,抗鹽性能達(dá)10×104mg/L;開展6口井試驗(yàn),平均單井氣量提高30%以上,藥劑成本降低15%以上?？茖W(xué)制定“大段塞加注”“小比例定時(shí)加注”“大比例連續(xù)加注”的泡排制度,配套研發(fā)了遠(yuǎn)程控制智能加藥裝置,實(shí)現(xiàn)“一井一策”精細(xì)泡排管理。同時(shí)泡排技術(shù)由單一向復(fù)合轉(zhuǎn)變,形成泡排+氣舉、泡排+壓縮機(jī)降壓開采等復(fù)合排采技術(shù),提升了泡排作為主導(dǎo)排采技術(shù)的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果。2022年新增泡排井28口,措施有效率100%,平均單井油套壓差下降0.8 MPa,日增氣4 000 m3,成本降低25%。

4.2 單管射流泵排水采氣技術(shù)

射流泵排水采氣技術(shù)適用于頁巖氣井不同生產(chǎn)階段的排采,穩(wěn)產(chǎn)周期長(zhǎng)。考慮頁巖氣井較深,采用雙管射流泵排采所需地面設(shè)備等級(jí)較高,通過管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、噴喉組合提產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化,攻關(guān)形成動(dòng)力液通過油管正循環(huán)注入、混合液通過油套環(huán)空產(chǎn)出的單管射流泵排水采氣技術(shù)[31-32],地面泵壓控制在30～35 MPa,排量范圍在0～250 m3/d,為3 000 m中淺層頁巖氣井低壓低產(chǎn)階段產(chǎn)能的有效釋放提供了技術(shù)保障。該技術(shù)累計(jì)應(yīng)用10余井次,措施有效率100%,最長(zhǎng)檢泵周期達(dá)600多天,平均單井日產(chǎn)氣7 000 m3,日產(chǎn)水23.6 m3。

4.3 “強(qiáng)力泵+尾管”排水采氣技術(shù)

機(jī)抽排水采氣技術(shù)適用于水淹井復(fù)產(chǎn)、間噴井和開發(fā)后期低壓氣井的開采。受頁巖氣井深、井斜和氣液比影響較大,易出現(xiàn)氣鎖和桿管偏磨問題[33]。通過攻關(guān)形成“強(qiáng)力泵+尾管”排水采氣技術(shù),即采用氣液混抽強(qiáng)力泵、泵掛以下加深尾管等方式減輕氣鎖的影響,配套應(yīng)用抽油桿扶正器、加重桿、內(nèi)襯油管等防偏磨措施,采用“長(zhǎng)沖程、低沖次”、間開等生產(chǎn)方式,解決了由于壓力低、液面深造成的井筒積液?jiǎn)栴}。LY1HF井應(yīng)用“強(qiáng)力泵+尾管”排水采氣技術(shù)(圖9),管柱下深達(dá)到3 750 m,日產(chǎn)氣量由1 500 m3增加到8 000 m3。

圖9 渝東南LY1HF井“強(qiáng)力泵+尾管”舉升工藝試驗(yàn)前后效果對(duì)比

5 下一步攻關(guān)方向

5.1 面臨的難點(diǎn)

5.1.1 鉆井方面

井下條件復(fù)雜影響鉆井安全與提速提效。一是淺表層分布廣、巖性多樣,特別是以自流井組、須家河組、雷口坡組等地層出露區(qū)域,溶洞、暗河、破碎帶發(fā)育且呈不規(guī)則分布,漏、垮風(fēng)險(xiǎn)高,易導(dǎo)致井下復(fù)雜與故障;二是中部地層長(zhǎng)興組、茅口組、棲霞組在局部地區(qū)存在淺層氣,鉆探過程易發(fā)生氣侵、溢流,嚴(yán)重影響鉆井安全和效率;三是立體開發(fā)及加密調(diào)整井受壓裂、排采影響,原始地層壓力發(fā)生變化,鉆進(jìn)過程中存在漏失和壓力異常點(diǎn)或段,井涌、井漏并存,安全鉆進(jìn)難度大;同時(shí),在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的地層產(chǎn)狀起伏變化大,局部地區(qū)裂縫發(fā)育,鉆進(jìn)過程中軌跡調(diào)整頻繁,起下鉆次數(shù)多,鉆井效率且鉆遇率難以滿足要求。

5.1.2 壓裂方面

隨著開發(fā)程度的深入,開發(fā)區(qū)域逐步從盆緣轉(zhuǎn)向盆外過渡,資源稟賦變差,優(yōu)質(zhì)頁巖厚度從38 m降至24 m,壓力系數(shù)從1.05～1.3降至0.9～1.15,含氣量從4.5～6.0 m3/t降至3.0～4.5 m3/t,游離氣占比從72%降至40%,壓裂提產(chǎn)難度持續(xù)加大。構(gòu)造及應(yīng)力愈發(fā)復(fù)雜,目的層埋深2 000～4 500 m,兩向應(yīng)力差異系數(shù)從0.1增至0.3以上,縫網(wǎng)改造難度加大,單純提升加砂參數(shù)對(duì)于EUR提升效果不明顯,單一強(qiáng)化壓裂工藝參數(shù)對(duì)于裂縫復(fù)雜度的貢獻(xiàn)達(dá)到瓶頸;深層頁巖儲(chǔ)層致密、塑性特征明顯,閉合應(yīng)力較高,現(xiàn)有140 MPa設(shè)備壓力等級(jí)難以滿足充分打碎儲(chǔ)層的需求,現(xiàn)有技術(shù)方案與壓裂材料不能充分滿足深層縫網(wǎng)化改造要求;同時(shí),受限于成本管控,壓裂監(jiān)測(cè)、評(píng)估等手段投入不足,對(duì)于壓裂工藝適應(yīng)性分析缺乏科學(xué)性。

5.1.3 排采方面

頁巖氣井壓裂入井液量大,壓裂液返排貫穿氣井全生命生產(chǎn)周期,需攻關(guān)制定全生命周期排水采氣技術(shù)對(duì)策,減少不必要的排采工藝改造,降低技術(shù)成本。常壓區(qū)頁巖氣產(chǎn)量遞減快、返排率高,氣井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短,且地質(zhì)條件復(fù)雜;不同區(qū)塊氣井生產(chǎn)特征差異較大,低壓低產(chǎn)井?dāng)?shù)量逐年增加,現(xiàn)有主體排水采氣技術(shù)效果變差,經(jīng)濟(jì)、高效的強(qiáng)排技術(shù)有待進(jìn)一步攻關(guān)完善。隨著生產(chǎn)井?dāng)?shù)的增加和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需要,單一的、粗放的排采方式不適用于頁巖氣全生命生產(chǎn)周期,需要更精細(xì)、更智能、更集成的排采管理,提高氣井生產(chǎn)管理水平。

5.2 技術(shù)攻關(guān)方向

5.2.1 鉆井方面

圍繞常壓頁巖氣效益開發(fā)目標(biāo),以石油工程“四提”為重點(diǎn),結(jié)合常壓頁巖氣鉆井地質(zhì)特點(diǎn),通過以提高機(jī)械鉆速、單趟鉆進(jìn)尺、鉆機(jī)時(shí)效、完井效率與水平段鉆遇率等為目標(biāo)的技術(shù)攻關(guān),進(jìn)一步深挖提速提效降本潛力。

一是加強(qiáng)淺表層地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。以多種工勘方法應(yīng)用為基礎(chǔ),準(zhǔn)確識(shí)別淺表復(fù)雜分布范圍,建立井下風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系,開展井下風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別,為安全快速鉆井奠定基礎(chǔ)。

二是加強(qiáng)水平段井眼穩(wěn)定技術(shù)攻關(guān)。利用測(cè)井資料分析與巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),針對(duì)立體開發(fā)區(qū)域,開展井壁穩(wěn)定性分析,建立壓后復(fù)雜應(yīng)力條件下的井壁失穩(wěn)模型,提高對(duì)地層坍塌壓力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性,為鉆井液密度調(diào)整,防漏、防塌處理提供依據(jù)。

三是開展油基鉆井液封堵材料優(yōu)選研究。重點(diǎn)開展鉆井液材料封堵能力評(píng)價(jià)研究,特別是針對(duì)微小裂縫,優(yōu)選合理粒徑、性能的封堵材料,強(qiáng)化井眼、控制裂縫擴(kuò)張,提高地層承壓能力。四是持續(xù)攻關(guān)超長(zhǎng)水平井鉆完井技術(shù):重點(diǎn)針對(duì)5 000 m水平段有效延伸、井下ECD控制、井眼清潔措施與套管下入等關(guān)鍵問題,集成配套成熟鉆井技術(shù),優(yōu)選工具與工藝配套,優(yōu)化鉆井參數(shù),實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)水平井鉆完井提速提效。

5.2.2 壓裂方面

圍繞“高效改造+經(jīng)濟(jì)縫網(wǎng)”,升級(jí)應(yīng)用低成本壓裂工程工藝,持續(xù)開展以增效提產(chǎn)為核心的技術(shù)攻關(guān)。

一是加強(qiáng)地質(zhì)工程一體化研究,推動(dòng)壓裂由參數(shù)強(qiáng)化向精準(zhǔn)改造轉(zhuǎn)變。南川復(fù)雜構(gòu)造帶頁巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),加強(qiáng)地質(zhì)工程一體化融合,完善甜點(diǎn)評(píng)價(jià)技術(shù),深化儲(chǔ)層精細(xì)描述,由單一的強(qiáng)化加砂轉(zhuǎn)向針對(duì)甜點(diǎn)的精準(zhǔn)改造;分區(qū)開展復(fù)雜構(gòu)造帶測(cè)錄井資料、裂縫監(jiān)測(cè)、產(chǎn)剖測(cè)試與建模分析,提升壓后評(píng)估的準(zhǔn)確性;聚焦排量、段簇、規(guī)模與泵注等關(guān)鍵參數(shù),形成分區(qū)分類分層的差異化設(shè)計(jì)方法。

二是不斷推進(jìn)壓裂設(shè)備、材料、工具更新升級(jí)換代。加快推進(jìn)175 MPa壓裂裝備研究應(yīng)用,確保深層壓得開、壓得進(jìn)、壓得好;開展自懸浮砂、超輕多孔陶粒、玻璃微珠等低密度高強(qiáng)度支撐劑研究與應(yīng)用,促進(jìn)多級(jí)縫網(wǎng)的高效支撐,形成穩(wěn)定縫網(wǎng);加快研發(fā)應(yīng)用滿足耐高溫高鹽高剪切等各種復(fù)雜情況下壓裂液,解決減阻造縫與攜砂性能的矛盾;加強(qiáng)一趟管柱20簇的射孔工具以及大通徑全可溶橋塞研制與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層密集改造及快速投產(chǎn)。

三是積極挖潛降本壓裂工藝,開展“少段多簇+多級(jí)復(fù)合暫堵”等技術(shù)試驗(yàn),探索低應(yīng)力區(qū)在低EUR下實(shí)現(xiàn)效益開采的可行性。

四是研發(fā)一體化智能壓裂決策系統(tǒng)。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù),進(jìn)行壓裂三維場(chǎng)景搭建,綜合應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)壓裂工藝參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)壓裂泵注的自動(dòng)化、智能化,促進(jìn)裂縫參數(shù)與儲(chǔ)層條件的最佳匹配,最大程度地提升單井或平臺(tái)EUR。

5.2.3 排采方面

為保障常壓頁巖氣持續(xù)穩(wěn)產(chǎn),通過攻關(guān)和完善完井排采一體化技術(shù)、經(jīng)濟(jì)高效排采技術(shù)、智能控制技術(shù)等,創(chuàng)建形成常壓頁巖氣藏穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)系列,進(jìn)一步提高單井EUR和采收率。

一是攻關(guān)以多級(jí)氣舉閥為核心的完井排采一體化技術(shù),設(shè)計(jì)優(yōu)化氣舉閥、氣舉工作筒等配套裝置,滿足常壓頁巖氣井初期快速排液、中后期自噴生產(chǎn)的需求,減少不必要的排采方式變更,降低采氣成本。

二是持續(xù)開展經(jīng)濟(jì)高效排水采氣技術(shù)的完善與探索。以泡排技術(shù)為核心,構(gòu)建氣藏—井筒—井口—地面一體化高效排水采氣技術(shù),解決泡排+優(yōu)化管柱、泡排+氣舉等多工藝復(fù)合提高氣井排液效率和技術(shù)適應(yīng)性的問題,優(yōu)化完善泡排智能加注和消泡裝備;加大機(jī)抽、單管射流泵、液驅(qū)無桿泵的評(píng)價(jià)力度,優(yōu)選出更經(jīng)濟(jì)、更高效的強(qiáng)排技術(shù),充分釋放深層常壓氣井的產(chǎn)能;探索試驗(yàn)磁懸浮壓縮泵、井下氣體泵等新工藝,解決低產(chǎn)液、低產(chǎn)氣井水平段排液手段不足的問題。

三是持續(xù)加強(qiáng)排采工藝智能控制技術(shù)的研究與升級(jí)。加強(qiáng)氣井智能管理平臺(tái)建設(shè),建立氣井生產(chǎn)異常判斷圖版和預(yù)警圖版、排采工藝選型優(yōu)化決策模型、氣井全生命周期排水采氣優(yōu)化設(shè)計(jì)及智能控制,實(shí)現(xiàn)不同區(qū)塊氣井積液預(yù)警、故障診斷、參數(shù)優(yōu)化和智能管控。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

姚紅生提出論文總體構(gòu)思并修改審核最終稿件;房啟龍參與壓裂相關(guān)內(nèi)容的編寫;袁明進(jìn)參與鉆井相關(guān)內(nèi)容的編寫;張壯參與采氣相關(guān)內(nèi)容的編寫。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

YAO Hongsheng proposed the overall idea and revised the final version of the paper. FANG Qilong participated in the preparation of fracturing related content. YUAN Mingjin participated in the compilation of drilling related content. ZHANG Zhuang participated in the compilation of gas production related content. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.